【摘要】：水是生命之源,良好的水質是人類生存的基本保證之一。但據2016年《中國環(huán)境狀況公報》,全國局部地區(qū)依然有水質惡化現象,其中,氨氮是地表水和地下水水質監(jiān)測的主要超標指標之一。去除水體中的氮素污染、凈化水質刻不容緩。同時我國核桃殼產量大,核桃殼的資源化利用在資源緊缺的當代中國涵義深遠。因此,將核桃殼用于處理廢水中氨氮倍顯其生態(tài)和環(huán)境意義。我國又是皮革生產大國,制革行業(yè)在促進經濟發(fā)展的同時也帶來越來越緊迫的環(huán)境問題。氨氮也是制革行業(yè)廢水中主要污染物之一。近年來,制革業(yè)廢水中氨氮的治理雖取得了長足的發(fā)展,但隨著十三五期間,國家對總氮污染控制,制革行業(yè)總氮的去除又成為關注的焦點。本研究以核桃殼為研究對象,以對制革工業(yè)產生的廢水中氨氮和總氮的去除為研究目標,首先利用ESEM、紅外光譜分析等觀察測試核桃殼物化特性,結合長期、短期浸出有機物試驗、靜態(tài)反硝化試驗、靜態(tài)和動態(tài)吸附試驗,揭示核桃殼釋放有機碳特性和吸附氨氮特性。其次,將核桃殼、陶粒和沸石分別按1㑳1組合,構建W-BAF、C-BAF、CW-BAF、ZW-BAF四種類型填料BAF,以制革廢水中氨氮、總氮等污染物為處理目標,探討不同的水力停留時間下各反應器對污染物的去除效能;并進一步比較分析了四種填料BAF沿濾池不同高度填料區(qū)對主要污染物的去除特性以及氮素轉化特性,明確核桃殼基填料BAF脫氮特性。最后通過對四種填料沿程生物膜的電鏡觀察和生物量、生物活性測試,結合利用Biolog-ECO技術,從分析四種填料沿程生物膜微生物代謝特性指紋、碳源利用效率明確了微生物代謝活性和微生物群落多樣性。研究主要結論如下:(1)新疆核桃殼中綜纖維素含量最多,其次是木質素和聚戊糖。短期清水浸出有機碳和反硝化試驗表明核桃殼結構穩(wěn)定、釋碳量高,適合作為具有支撐作用的固體碳源;釋碳長效性試驗表明,單位核桃殼每天釋放有機物是一個釋放量衰減的過程。釋碳0~3天為快速衰減期,第4~6天為中速衰減期,6~12天為慢速衰減期,12天以后為逐步穩(wěn)定期,趨勢曲線y=4.7221x~(-0.893)。(2)ESEM觀察核桃殼表面結構致密、微孔多而通透,且孔隙分布很有規(guī)律,呈現同向性,具有較大的總孔隙面積和孔隙度;表面帶有-OH等官能團,具有一定的吸附性能。靜態(tài)吸附NH_4~+是以物理吸附為主的有單層和多層吸附的自發(fā)吸熱過程。動態(tài)吸附過程符合Thomas吸附動力學模型,吸附方程y=-0.0063x+2.1488,R~2=0.9769。(3)掛膜階段,以COD去除率穩(wěn)定在80%以上判斷,核桃殼初期的釋碳使得W-BAF掛膜所用時間較長,其次是組合填料,C-BAF掛膜所需時間最短。以NH_4~+去除率穩(wěn)定在60%以上判斷,組合填料掛膜時間最短,其次是W-BAF,C-BAF需要時間較長。組合填料掛膜時間優(yōu)勢明顯。BAF穩(wěn)定運行階段,HRT對核桃殼及其組合BAF去除COD影響不大,HRT=12h、8 h和6 h,四種濾池的出水COD均小于20mg/L,去除率均在80~90%之間。HRT對NH_4~+去除影響較大,NH_4~+的去除率隨HRT的減少總體是下降趨勢。四種填料BAF抗NH_4~+負荷沖擊能力按強弱排列順序為:C-BAFCW-BAFW-BAFZW-BAF。組合填料濾池中有較強的反硝化作用,使得其對TN的去除率總體好于單一填料濾池,C-BAF對TN的去除效果較差。(4)四種填料BAF沿程進水端生物量豐富,出水端生物量較少,濾池40cm高度以下生物活性較高,接近出水端,生物活性降低。COD、氨氮和總氮的去除主要發(fā)生在濾池中下部,沿水流方向遠離進水端,去除效果總體較弱。不同類型填料BAF氮素轉化特性不同,脫氮特性不相同。W-BAF沿水流方向氨氮濃度呈逐漸下降趨勢,而硝態(tài)氮生成量較低,有亞硝酸鹽積累,且DO含量較低,TN去除率較高,判斷發(fā)生了短程硝化反硝化作用。C-BAF亞硝態(tài)氮累積量近乎為0,濾池的下部區(qū)域去除氨氮是以硝化-反硝化作用為主,而上部區(qū)域以硝化作用為主。CW-BAF亞硝態(tài)氮積累量較少,核桃殼釋放的碳源增加了反硝化細菌的活性,NH_4~+轉化為硝態(tài)氮,因此NH_4~+的去除主要依靠碳釋放、硝化和反硝化耦聯作用。ZW-BAF脫氮的特性主要是沸石的離子交換吸附作用和核桃殼釋碳、硝化、反硝化的耦聯作用。利用Biolog-ECO方法對四種填料BAF沿程生物膜微生物群落結構和多樣性研究表明,四種填料BAF中生物膜微生物對糖類及其衍生物類碳源的利用率均較高,對胺類和醇類碳源利用率較低。W-BAF填料沿程生物膜微生物高利用碳源數量最多,其次是ZW-BAF和CW-BAF,C-BAF最少。填料材料整體的形態(tài)均勻度影響微生物附著分布的均勻性。不同類型填料組合較單一填料有利于生物膜微生物種類多樣化,互補不足,一定程度上維持BAF系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效能的提高。利用核桃殼去除廢水中氮,以廢治廢,廢棄的富含氮素的核桃殼可以還田或作堆肥等進一步的深度利用,不僅為制革生產廢水中氮素的去除提供了新思路和新的“綠色”方法,促進制革行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的同時也將對于農林廢棄物充分發(fā)揮其潛在價值以及擴展在環(huán)境保護領域的應用有著積極的意義。
【學位授予單位】：陜西科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：X703
【圖文】：

氣、水、生態(tài)保護等方面的環(huán)境狀況有稍許改善，但空氣污染仍有水質惡化現象發(fā)生。全國 112 個重要湖泊、水庫中，Ⅰ類～Ⅱ類水質占 32.1%、Ⅲ類、劣Ⅴ類分別占 5.4%和 8.0%。全國地表水 1940 個監(jiān)測斷面、Ⅲ類～Ⅳ類占 50.7%、Ⅴ類、劣Ⅴ類分別占 6.9%和 8.6%。國 31 個�。▍^(qū)、市）225 個地市級行政區(qū)的 6124 個監(jiān)測點的分別用 5 個級別顯示：水質為優(yōu)良級的監(jiān)測點占 10.1%、良好級、較差級占 45.4%和極差級占 14.7%（圖 1-1）。較差級、極差占過半比例，監(jiān)測點中主要的超標指標為 Mn、Fe、總硬度、O3-和 NH4+等。338 個地級及以上城市，地表水水源監(jiān)測斷面 6.4%；地下水水源監(jiān)測斷面 334 個，不達標率占 15.0%，主 NH4+。全國的淡水資源七大水系，除長江、珠江流域水質狀花江和遼河流域均為輕度污染，海河流域水質屬重度污染水優(yōu)良級10.1%良好級極差級14.7%

銨態(tài)氮（NH4+-N）、硝酸鹽氮（NO3--N）和亞硝酸鹽氮種最主要的存在形態(tài)，主要以 NH3和 NH4+兩種形態(tài)存國城市化進程的不斷加快，工業(yè)、農業(yè)的快速發(fā)展，造湖海之中。據 2015 年發(fā)布的《環(huán)境統(tǒng)計年報》數據， 2015 年全國廢水氨氮排放總量和工業(yè)、農業(yè)和城市和自占全國排放量的比例，據資料統(tǒng)計，2015 年城鎮(zhèn)生活 年還增加 0.4%。表 1-1 2015 全國氨氮廢水排放總量及占比情況Table 1-1 Total ammonia nitrogen emissions and proportion in 2015全國廢水 工業(yè)廢水 農業(yè)源廢水 城噸） 229.9 21.7 72.6 %） 9.40 31.60 工業(yè)廢水9.40%農業(yè)源

[149]來吸附污染物質；三則利用核桃殼生物質為反硝化過程提供碳源用于去除制革廢水中的氨氮和TN（圖1-4）。此構想原因有五個方面：（1）核桃殼來源豐富、廉價易得、質地堅硬、生物和化學性能穩(wěn)定；（2）核桃殼親水和親生物性好、可自身降解，為微生物的生長提供有機碳；（3）核桃殼具有較大的比表面積和孔隙率，孔徑適中，具有良好的截污能力，且內部網狀的相互連通的小孔通向載體表面，使微生物易于進入孔中附著、生長，從而形成豐富的生物膜微生物群落結構。核桃殼還可起到骨架支撐作用；（4）陶粒是目前使用最多的一種填料，以此為對照，有利用對核桃殼填料的工業(yè)化應用做出預評估；（5）沸石結構呈架狀，孔隙豐富，具有較大的比表面積，是常用的一種吸附材料，作為填料對氨氮有較好的吸附效果

【參考文獻】

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本文編號：2770249